一嵌入式系统概况

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1、第一章 嵌入式系统概况 大连理工大学 马洪连 1 本章内容 1.1 嵌入式系统的定义 1.2 嵌入式技术的应用领域及发展趋势 1.3 嵌入式系统组成简介 2 1.1、嵌入式系统的定义 1. 概述 嵌入式系统是将计算机硬件和软件结 合起来构成的一个专门的装置，这个装置可 以完成一些特定的功能和任务，能够在没有 人工干预的情况下独立地进行实时监测和控 制。 另外，由于被嵌入对象的体系结构、 应用环境不同，所以各个嵌入式系统也可以 由各种不同的结构组成。 3 嵌入式系统已有近40年的历史，它是 以硬件和软件交替双螺旋式发展的。 l1971年第一款微处理器是Intel的4004 l20世纪80年代初，

2、Intel研制成功了 MCS8051系列单片机。 l1981年世界上第一个商业嵌入式实时内核 （VTRX32）诞生（包含许多操作系统的特 征，如任务管理、任务间通信、同步与互 斥、中断支持、内存管理等功能。） 2. 发展历史 4 IEEE(国际电气和电子工程师协会)定义 原文：devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants. 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅 助操作机器和设备的装置”。可以看出，此 定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件 和硬件的综合体，还可以涵盖

3、机电等附属装 置。 3.IEEE定义 5 4. 一般定义 “以应用为中心，以计算机技术为基 础，软件、硬件可裁减，功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统。 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一 个手持的MP3、MP4和一个PC104小型工控机都可以 认为是嵌入式系统。 总之，嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式 把所需的功能嵌入到各种应用系统中。 6 1.2、嵌入式技术的应用领域及发展趋势 1.2.1 嵌入式技术的现状 1.2.2 嵌入式技术的应用领域 1.2.3 嵌入式技术的发展趋势 7 1.2.1 嵌入式技术的现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入 式技术也将获得广

4、阔和发展空间。美国著名学者 尼葛洛庞帝1999年1月访华时预言，4至5年后嵌入 式智能工具将是PC和Internet网络之后最伟大的 发明。 在硬件方面，市场上不仅有各大公司生产的 各种微处理器芯片,还有用于学习和进行研发的各 种配套的软件开发包和开发工具。目前，嵌入式 底层系统和硬件平台已经相对比较成熟，实现各 种功能的芯片应有尽有，巨大的市场需求给我们 提供了学习嵌入式技术的机遇。 8 1.2.1 嵌入式技术的现状 在软件方面，也有相当多的成熟软件 系统。国外的嵌入式操作系统有Windows CE、Linux、ucOS、VxWorks等。我国自主 开发的嵌入式系统软件产品，如科银京城 （C

5、oreTek）公司的DeltaSystem开发平台 ，中科院推出的Hopen嵌入式操作系统。 嵌入式系统技术的发展，大致经历了 以下四个阶段：无操作系统阶段，如单片 机；简单操作系统阶段，如Power PC；实 时操作系统阶段，如DSP；面向Internet阶 段。 9 1.2.2 嵌入式技术的应用领域 嵌入式技术可应用在：工业控制；交 通管理；信息家电；家庭智能管理；网络 及电子商务；环境监测；机器人等领域。 在工业和服务领域中，大量嵌入式技 术也已经应用于工业控制、数控机床、智 能工具、工业机器人、服务机器人等各个 行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和 服务方式。例如，飞机的电子设备、城市

6、 地铁购票系统等都可应用嵌入式系统来实 现。嵌入式系统的应用领域如下图所示。 10 嵌入式系统的应用领域示意图 工控设备 嵌入式应用 信息家电 智能玩具 军事电子 通信设备 移动存贮 智能仪表 汽车电子 网络设备 消费电子 军事国防 电子商务 工业控制 网络 11 一些典型的嵌入式系统应用实例 goReader Internet eBook Samsung AnyWeb Internet Screen Phone eRemote Intelligent Home Controller Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes Nixvue Digital

7、Album Digital Photo Album 12 3. 其他方面的应用举例 ARM技术的IP（知识产权）在许多领 域已经取得了很大的成功。 比如，目前绝大部分的无线设备（如 手机等）和PDA之类的无线设备中都采用了 嵌入式技术。在数字音频播放器、数字机 顶盒和游戏机中也得到了更广泛的应用。 典型的嵌入式系统应用实例如下图所示： 13 典型的嵌入式系统应用实例 14 嵌入式系统的具体应用 n家用方面：数字电视、信息家电、智能 玩具、手持通讯、存储设备的核心。 15 嵌入式系统的具体应用 家庭智能管理系统：社区建筑的水 、电、煤气表的远程自动抄表，安全防 火、防盗系统，远程点菜器等。 16

8、 嵌入式系统的具体应用 社会发展方面：嵌入式Internet应用 17 嵌入式系统的具体应用 l汽车电子：汽车电子产品（18个嵌入式控 制模块）CAN总线网络。 VOLVO S80汽车的CAN总线网络 18 嵌入式系统的具体应用 智能玩具与机器人 19 嵌入式系统的具体应用 智能机器鱼技术研究 20 嵌入式系统的具体应用 仿人型机器人 Humanoid by University of Humanoid by Beijing Defense Technology in 1999Institute of Technology in 2002 21 基于Win CE的移动机器人平台 22 嵌入式系

9、统的具体应用 军事侦察 阿富汗参加反恐作战的“ 赫耳墨斯”价值4万美元， 可携带2架摄像机，发挥了 很好作用。 23 嵌入式系统的具体应用 反恐防暴 2002年11月 28日，以 色列一选 举投票点 ，发生枪 击事件， 造成至少7 人死亡， 数十人受 伤。以警 方用机器 人在检查 一具巴勒 斯坦枪手 的尸体。 24 嵌入式系统的具体应用 产品介绍-掌上电脑 uCPU:intel PXA255 400MHz uFLASH:64M uSDRAM:64M uBluetouth u影音 uCompact Flash u电源管理 u红外线接口 25 嵌入式系统的具体应用 产品介绍-基于基于RTLinux

10、RTLinux的仿人机器人的仿人机器人 高 48 cm 重: 6 kg 灵活性：20 DOF 操作系统: RT-Linux 接口形式: USB 1.0 (12Mbps) 响应周期: 1ms 能源： DC24V x 6.2A (150W) 制造：富士通 26 嵌入式系统的具体应用 产品介绍-工程机械智能监控系统 27 嵌入式系统的具体应用 产品介绍-基于基于VXworksVXworks的火星探路者的火星探路者 28 结论： 事实上，嵌入式技术无外不 在，计算机应用技术也开始进入 一个被称为后PC技术的春天。 29 1.2.3 嵌入式技术的发展趋势 1）目前的发展 经济性 计算机要很便宜，让更多的

11、人能买得起； 小型化 （笔记本、PDA）人们携带方便； 可靠性 （汽车VCD，跳动问题); 稳定性 能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境 条件下运行； 高速度 （飞机刹车系统） 实时性 能够迅速地完成数据计算或数据传输； 智能性 （知识推理、模糊查询、识别、感知运动） 实用性 使人们用起来更习惯，对人们更有使价值。 30 2）未来发展趋势 l支持开发的工具和操作系统 l联网成为必然趋势 l精简系统内核、算法，设备实现小尺 寸、微功耗和低成本 l提供精巧的多媒体人机界面 31 （1）支持开发的工具和操作系统 l软件系统开发工具和软件包 l采用实时多任务编程技术 l交叉开发工具技术 l简化应用程序

12、设计 l保障软件质量 l缩短开发周期 32 （2）联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求， 要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对 外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口,相应 需要TCP/IP协议簇软件支持。由于家用电器相互 关联(如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信 息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要 求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、 CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提 供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线 Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML、

13、WML等。 33 （3）精简系统内核、算法，设备实现小 尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品 设计者相应降低处理器的性能，限制内 存容量和复用接口芯片。这就相应提高 了对嵌入式软件设计技术要求。 34 （4）提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重 要因素之一是它们与使用者之间的亲和利，自然 的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车 主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。 人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒 体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电 子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。目 前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写

14、入、 短消息语音发布，但离掌式语言、同声翻译还有 很大距离。 35 1.3 嵌入式系统组成简介 1.3.1 嵌入式系统的重要特征 1.3.2 典型嵌式系统的硬件组成 1.3.3 嵌入式系统的软件组成 36 嵌入式系统的基本组成 37 嵌入式系统的架构图 处理器 存储器 输入 输出 操作系统 应用程序 软件 结构 硬件 结构 38 应用程序 实时操作系统（RTOS） 输入输 出接口 处理器/ARM核 MMU/Cache SOC/SOPC USB GPIO IIS LCD UART和IrDAADC/DACFPGA/CPLD DSP/浮点运算协处理器 DMA 电源管理 人机交互接口LCD/触摸屏、键

15、盘、鼠标 设备驱动程序、HAL、BSP 文件系统/图形用户应用程序接口 驱动层 OS层 应用层 软 件 以太网 看门狗及复 位电路 Timer/RTC CAN Flash SDRAM SRAM 内 存 硬 件 39 软件硬件基本要素 硬件 l嵌入式处理器 l各种类型存储器 l模拟电路及电源 l接口控制器及接插件 软件 l实时操作系统（RTOS） l板级支持包（BSP） l设备驱动（Device Driver ） l协议栈（Protocol Stack） l应用程序（Application） 40 体系结构 API 设备管理 中断驱动程序串口驱动程序键盘驱动程序 串口卡A 硬件抽象串口卡B 硬件

16、抽象 串口1串口2串口4串口2串口3串口1 驱动逻辑层 硬件抽象层 设备 设备管理层 API层 为了有效组织和管理各种不同的设备，可以采用分层的思想， 把I/O系统从上到下分为四层，分别为API、设备管理、驱动逻 辑和硬件抽象。 41 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器 为核心，配置必要的外围接口部件。在嵌 入式系统设计中，应尽可能选择适用于系 统功能接口的SoC/SOPC芯片，以最少的外 围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系 统的特殊要求。 一般包括有 ：嵌入式处理器; 存储器; I/O系统和外设。 1）嵌入式系统硬件系统 42 包括 ： 操作系统、应用软件、驱动层软件 。 (1)操作系统功能简介 操作系统层包含嵌入式内核、嵌入式TCP/IP网 络系统、嵌入式文件系统、嵌入式GUI系统和电源 管理等部分。其中嵌入式内核是基础和必备的部 分，其他部分要根据嵌入式系统的需要来确定。 作为嵌入式系统软硬件资源的管理者，负责 系统软硬件资源的调度与分配，保证系统资源被 有效合理使用。嵌入式操作系统掩盖了底层硬件 的复杂性，提高了软件